Pour les passionnés de technologie

 

Les lampes frontales Go’Lum sont le fruit d’une recherche avancée pour offrir aux sportifs exigeants des caractéristiques hors du commun. Nous vous présentons ici différents points qui ont fait l’objet de nos travaux : le driver, la batterie, les LED, le matériau.

 

Développement d'un driver de LED exclusif Go'Lum


Dans la conception d’une lampe frontale, la question du pilotage d’une LED de puissance est complexe. La caractéristique principale d’une LED est sa tension nominale. Cette tension varie en fonction notamment de la fabrication de la LED, de sa couleur et, en cours d’utilisation, de son échauffement.

Pour ces raisons, chez Go’Lum nous avons choisi de piloter nos LED avec un générateur de courant et non un générateur de tension.

Le générateur de courant permet aux LED d’imposer leur tension ; la puissance d’éclairage n’est donc plus dépendante que du courant qui traverse la LED.

Pour des lampes frontales en utilisation sportive, l’encombrement et le poids doivent être réduits. Cela se traduit par l’utilisation de batteries de faibles taille, poids et tension. Cela impose l’utilisation d’un nombre réduit de LED chaînées en parallèle ou en série, qui devront supporter un courant d’alimentation relativement fort. Nous avons sélectionné les fabricants qui proposent ce type de LED avec des tensions nominales autour de 3V et d’excellents rendements lumineux au-delà de 200 lumens/W.

Il existe trois grands types de drivers pouvant gérer l’alimentation des LED :

  • Les drivers non régulés qui fixent un courant maximum de sortie pour une tension d’entrée définie. Leur coût est faible, mais le courant de sortie diminue lorsque la tension d’alimentation diminue. Cela pose problème pour une frontale, alimentée par batterie, car l’éclairement va décroître au fil de son utilisation.
  • Les drivers à découpage régulés en courant de type buck, qui permettent une tension de sortie vers les LED plus faible que la tension d’entrée fournie par la batterie. Ils peuvent être utilisés pour piloter une LED indépendante dont la tension nominale est autour de 3V avec une batterie lithium ion par exemple. Mais ce type de driver aura du mal à réguler le courant de manière fixe lorsque la batterie sera à moitié déchargée, c’est-à-dire que sa tension passera en dessous de 3.7V environ, car la différence de tension entre la batterie et la LED deviendra trop faible. La lampe frontale va alors voir décliner petit à petit son éclairement à la manière d’un driver non régulé.
  • Les drivers à découpage régulés en courant de type boost, qui permettent une tension de sortie vers les LED plus forte que la tension d’entrée fournie par la batterie. Ce driver permet à la lampe frontale d’éclairer à la même puissance quelque soit le niveau de batterie. Il impose d’avoir une tension de LED supérieure à la batterie et donc de chaîner en série au moins 2 LED. Son coût est plus élevé que celui des deux précédents mais il permet d’utiliser les LED dans leur plage de courant optimal (voir article choix des LED).

C’est pour répondre aux besoins des sportifs exigeants recherchant un éclairage puissant et parfaitement constant que Go’Lum a choisi ce dernier type de driver.

Pour nous, l’adéquation du driver avec les LED qu’il pilote est aussi important que la LED elle-même.

Beaucoup de fabricants communiquent uniquement sur les LED qu’ils utilisent, mais ce n’est que l’élément visible de la chaîne d’éclairage. Nous avons donc mis au point le driver optimal pour une lampe frontale à LED : il accepte une tension d’entrée variable en fonction de l’état de charge de la batterie – entre 2.8V et 4.2V pour une batterie lithium ion – et régule le courant de sortie vers les LED. Le driver reste ainsi stable en fonction de la consigne au cours de la décharge de la batterie pour fournir en continu un courant de 2A et une tension de 3V.

D’un point de vue théorique, une alimentation à découpage boost est constituée de transistors MOSFET qui servent d’interrupteur, d’une réserve de courant (appelée self), d’une réserve de tension (condensateur) et d’une commande impulsionnelle qui ouvre et ferme les interrupteurs à très haute fréquence.
Très schématiquement, l’idée est de court-circuiter à l’aide de l’interrupteur (MOSFET) les pôles plus et moins de la batterie à travers la self pendant un temps très court. La self, par nature, s’oppose à l’augmentation brutale du courant induite par le court-circuit en accumulant ce courant. Une fois le laps de temps écoulé, l’interrupteur court-circuitant la batterie est rouvert et l’autre interrupteur fermant le circuit entre la self – précédemment chargée – et les LED est activé. Le courant accumulé dans la self est délivré aux LED.
La régulation et le réglage de l’intensité lumineuse sont réalisés en mesurant en permanence le courant traversant les LED et en adaptant en permanence la durée d’ouverture et de fermeture du MOSFET. Plus le temps de fermeture est important, plus la self va se charger en courant, dans la limite de ne pas court-circuiter en permanence la batterie, ni dépasser la limite du courant supportable par le driver, ce qui conduirait à sa destruction.
Le rendement d’un tel système découle directement des pertes d’énergie qui opèrent.
Les 2 causes principales de ces pertes sont :

  • La résistance interne de tous les composants qui composent le driver : cette résistance dissipe l’énergie perdue en chaleur. Le MOSFET et la SELF sont les principaux vecteurs de ces pertes.
  • Le temps de commutation des interrupteurs (MOSFET) : le temps de commutation – c’est-à-dire le temps entre la commande de fermeture ou d’ouverture de l’interrupteur et le moment où l’interrupteur a réellement terminé de basculer – doit rester le plus négligeable possible par rapport à la durée d’un cycle de découpage.

C’est cette expertise que vous retrouvez dans votre Go’Lum !

Choix de la batterie


Pour une pratique de sport outdoor, l’autonomie d’une lampe frontale est l’un des critères les plus importants. Mais il existe deux contraintes majeures : l’encombrement et le poids.

Lors de notre réflexion, nous avons donc éliminé les batteries qui n’offraient pas une autonomie suffisante mais aussi celles qui étaient trop encombrantes ou/et trop lourdes. Le meilleur choix nous est apparu très vite comme étant les batteries lithium-ion de type 18650 – 18650 pour 18mm de diamètre et 6,5cm de hauteur, format très répandu dans l’industrie (ordinateurs, vélos et voitures électriques, cigarettes électroniques, …) –. De fait du succès de ces batteries, les fabricants réalisent en priorité leurs développements sur ces modèles. En tant qu’utilisateurs, nous bénéficions donc des meilleurs performances de la technologie lithium-ion sur ces cellules qui offrent la meilleure densité énergétique, dont les plus performantes dépassent les 3500mAh.

L’une des exigences de Go’Lum est la protection de ses utilisateurs. Des images circulent de rares cas de court-circuit, où l’on voit des batteries lithium-ion prendre feu ou exploser (court-circuit → emballement thermique → explosion de la batterie). Chez Go’Lum, deux systèmes vous protègent contre ces incidents : un système de régulation thermique intégré à la frontale et un coupe-circuit intégré à la batterie qui se déclenche dès lors qu’il détecte une tension anormale. Les batteries que nous commercialisons sont ainsi protégées.

Choix des LED


La lampe Go’Lum possède 2 canaux indépendants. Cela nous permet d’implanter 2 types de LED différents afin de mixer leurs caractéristiques.

Le premier canal est constitué de 2 LED de petite taille (1.6×1.6mm) qui vont permettre d’obtenir un faisceau d’éclairage étroit.
Le second canal associe 2 LED de taille plus élevée (3.2×3.2mm) déployant un faisceau large.

Sur chaque canal, les LED sont associées par paire, en série, afin d’exploiter leurs caractéristiques dans leurs plages optimales de fonctionnement. En effet, les LED sont spécifiées pour supporter un courant maximum mais leur meilleur rendement est atteint à des puissances plus modérées. Nous recherchons donc à rester dans ces plages de fonctionnement.

Choix de l'aluminium


Le matériau qui allait composer le corps de nos frontales devait répondre à cinq critères : refroidissement, résistance, légèreté, recyclabilité et coût.

  • Refroidissement : les LED, en chauffant, perdent de leur rendement. Il est donc essentiel de garantir un niveau de chauffe maîtrisé.
    La conductivité thermique élevée de l’aluminium (237W/m.K) permet de refroidir les LED de façon efficace. A titre de comparaison, le PVC a une conductivité thermique de 0,17W/m.K. Plus la conductivité thermique d’un matériau est élevée, plus celui-ci conduit la chaleur. Nous recherchons donc les propriétés opposées à celle d’une isolation thermique.
    NB : Ne recyclez pas une Go’Lum pour isoler votre maison 😉
  • Résistance : une frontale doit résister au mieux aux chocs, aux intempéries et aux poussières… le tout le plus longtemps possible ! L’aluminium a une excellente longévité et une résistance remarquable à l’oxydation. Même une feuille d’aluminium ne laisse passer ni eau, ni poussières, ni micro-organismes.
    De plus, le corps alu des frontales Go’Lum est anodisé, ce qui améliore encore la résistance à l’oxydation.
  • Légèreté : pour une rigidité équivalente (on en revient au critère de résistance), l’aluminium est l’un des matériaux les plus intéressants en terme de poids.
  • Recyclabilité : l’aluminium est recyclable à 100%, indéfiniment, sans dégradation de ses propriétés et sans nécessiter beaucoup d’énergie.
  • Coût :  Nous avons écarté des matériaux dont les prix pouvaient être plus faibles que celui de l’aluminium, mais ne répondaient pas aux critères précédents. A l’inverse, le magnésium est un matériau intéressant mais inflammable et qui revient bien plus cher que l’aluminium.

Tableau de données comparatives matériaux

Votre Go’Lum : un concentré de technologie !